功率器件的熱設計基礎（二）——熱阻的串聯和并聯

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章將比較系統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

第一講《功率器件熱設計基礎（一）----功率半導體的熱阻》，已經把熱阻和電阻聯系起來了，那自然會想到熱阻也可以通過串聯和并聯概念來做數值計算。

熱阻的串聯

首先，我們來看熱阻的串聯。當兩個或多個導熱層依次排列，熱量依次通過它們時，這些導熱層熱阻就構成了串聯關系。

功率模塊的散熱通路中結對散熱器熱阻R_thjh是由芯片、DCB、銅基板、散熱器和焊接層、導熱脂層串聯構成的。串聯熱阻中，總熱阻等于各熱阻之和，這是因為熱量在傳遞過程中，需要依次克服每一個熱阻，所以總熱阻就是各熱阻的累加。

熱阻的并聯

當兩個或多個熱阻（導熱層）的兩端分別連接在一起，熱量可以同時通過它們時，這些熱阻就構成了并聯關系。譬如在900A 1200V EconoDUAL?3 FF900R12ME7中，900A IGBT就是由3片300A芯片并聯實現的，這三個芯片是并聯關系。

在并聯熱阻中，總熱阻的倒數等于各熱阻倒數之和。這是因為熱量在傳遞過程中，有多條路徑可以選擇，所以總熱阻會小于任何一個單獨的熱阻。3片 300A芯片并聯成900A芯片的熱阻是300A的三分之一。

需要注意的是，熱阻的串聯和并聯與電路中的電阻串聯和并聯在形式上非常相似，但它們的物理意義是不同的。熱阻是描述熱量傳遞過程中遇到的阻礙程度的物理量，而電阻則是描述電流傳遞過程中遇到的阻礙程度的物理量。所以要討論的附加效應不一樣。

綜上所述，熱阻的串聯和并聯是熱學中的基本概念，掌握它們的計算方法對于理解和分析熱量傳遞過程具有重要意義。

功率模塊結構

這是帶銅基板功率模塊安裝在散熱器上的結構示意圖，功率模塊由多個芯片構成。芯片功能、規格，芯片大小厚度可能不同，它們卻分享著同一塊銅基板和同一塊散熱器。

各芯片在導熱通路上有多個導熱層，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設計的具體需要定義了結到殼的熱阻R_thjc，殼到散熱器的熱阻R_thcs及散熱器到環境的熱阻R_thsa。

下圖是帶銅基板功率模塊散熱圖，模塊安裝在散熱器上，并把散熱器認為是等溫面。

注：在IEC 60747-15中的R_th(j-s),R_th(c-s)與本文中R_thJH和R_thCH一致。

熱阻串聯：

從圖中可以讀到，熱流依次通過各導熱層，所以熱阻是串聯關系：

譬如，結到散熱器的熱阻R_thjs就是結到殼的熱阻R_thjc及殼到散熱器的熱阻R_thcs之和。

模塊中熱阻并聯：

在功率模塊中，熱阻并聯有幾種形式：

1.IGBT或二極管芯片通過并聯實現大電流，這樣的并聯是相同面積尺寸、相同導熱性能的芯片并聯，這樣，由N個IGBT或二極管芯片并聯組成的器件中，結到殼的熱阻R_thjc是單個芯片熱阻的N分之一。前面提到的FF900R12ME7中，900A芯片組的熱阻是每個300A芯片的三分之一。

2.IGBT開關是由IGBT和續流二極管構成，而每一個模塊往往有多個IGBT開關構成，對于一個三相橋IGBT功率模塊，其由6個IGBT開關構成，每個開關由IGBT+二極管構成。

對于每種封裝，模塊對散熱器的熱阻可能會在數據手冊中給出，例如：FS450R12KE4 1200V 450 A EconoPACK?+6單元三相橋模塊，在給定的安裝條件下，R_thCH為0.005K/W，由于6個開關（圖中arm，在文章中arm稱為開關）都安裝在銅基板上，所以每個開關分享散熱，每個開關的熱阻是模塊的6倍，就是R_{thCH_arm}=0.03K/W。